DE102012021357A1

DE102012021357A1 - Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102012021357A1
Application number: DE201210021357
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Diplomat Ges Zur Restrukturierung und Wirtschaftsforderung Mbh
Current assignee: Diplomat Ges Zur Restrukturierung und Wirtschaftsforderung Mbh
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren, welches die Effizienz von Niedertemperatur-Arbeitsprozessen (NA-Prozess) durch spezielle Modifikationen verbessert. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger. Einen Beitrag hierzu leisten NA-Prozesse oder meistens ORC-Prozesse, die Geothermie bzw. Abwärme noch zur Stromerzeugung nutzen können. Da der nutzbare Temperaturbereich zwischen Tmin und Tmax verhältnismäßig klein ist, sollte die Wärmeübertragung trotz Verdampfung bei niedrigen Grädigkeiten erfolgen. Deshalb müssen Bedingungen geschaffen werden, die für optimale Wärmeübertragungsverhältnisse sorgen und die den Entspannungsverlauf strömungstechnisch optimieren. Bei einer gestuften Verdampfung, lässt sich die Erwärmung und Verdampfung im NA-Prozesse besser an den Temperaturverlauf für die Abkühlung des Thermalstroms anpassen. Die entstandenen Teilmassenströme werden druckangepasst intern durch die Leitschaufeln der entsprechenden Gitterstufen geleitet, wo sie am Profilende über die Schaufellänge gut verteilt austreten und sich mit dem Hauptstrom vermischen. Zeitgleich erfolgen Mischung und Temperaturanpassung durch Direktkontakt im gesamten Ringkanal der jeweiligen Stufe. Ein im Boden verlegtes Rohrsystem leitet die Kondensationswärme ins Erdreich ab, wodurch im Jahresverlauf weitestgehend konstante Kühltemperaturen herrschen.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Verfahren, welches die Effizienz von Niedertemperatur-Arbeitsprozessen durch spezielle Modifikationen verbessert. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Der weltweit steigende Energiebedarf erhöht die anthropogenen Belastungen für Klima und Umwelt. Sparsamer Umgang mit Energie und effiziente thermische Wandlerprozesse werden immer wichtiger, um dem Klimawandel entgegen zu wirken. Einen Beitrag hierzu leisten Niedertemperatur-Arbeitsprozesse oder meistens ORC-Prozesse (Organic Rankine Cycle), die Geothermie bzw. Abwärme noch zur Stromerzeugung nutzen können. Als Arbeitsfluid werden chemische Verbindungen des Kohlenstoffs (Organik) genutzt, die auch im Niedertemperaturbereich noch Differenzdrücke bilden, die Turbinen oder Expander in Kombination mit einem Generator antreiben. Da der nutzbare Temperaturbereich zwischen T_min und T_max verhältnismäßig klein ist, sollte die Übertragung von der Thermalquelle auf das Arbeitsfluid trotz Verdampfung bei niedrigen Grädigkeiten erfolgen, um die Erdwärme optimal entziehen zu können. Prinzipiell kommt es auf die maximal mögliche Stromausbeute der Thermalquelle an. Das Arbeitsfluid bestimmt mit seinen Stoffeigenschaften den Energieaufwand der Kondensat-Pumpe zur Druckerhöhung (Enthalpiedifferenz) und dem Energiebedarf für den Phasenwechsel im Verdampfer (Verdampfungswärme), um dann das entstandene Gas in der Turbine zur Stromgewinnung zu entspannen (Enthalpiedifferenz). Weiterhin beeinflusst es die Aufwendungen bezüglich Anlagendruck sowie den sicherheitstechnischen Anforderungen Explosionsschutz, Handhabbarkeit und Toxizität. Die wichtigste Komponente im Prozessverlauf ist besonders bei größeren Anlagen die Axialturbine, da hier die Wandlung des Druckgefälles in mechanische Antriebsleistung für den Generator erfolgt. Durch Druckabbau in den Leitschaufelgittern beschleunigt sich die Arbeitsfluidströmung, um damit den Rotor mit Laufschaufeln durch Strömungsumlenkung (Impulsaustausch) anzutreiben. Deshalb wirken sich Verbesserungen am fluidmechanischen Ablauf der Entspannung positiv auf die Prozesseffizienz aus. Weiterhin spielen konstante Temperaturverhältnisse für die Kondensation eine wichtige Rolle, da somit im Jahresverlauf ein optimaler Arbeitspunkt der Anlage eingestellt werden kann.
ORC-Kraftwerke gibt es nach dem Stand der Technik für die verschiedensten Anwendungen, die mit designtem oder reinem Arbeitsfluid betrieben werden. Im Patent DE 10 2007 009 503 B4 wird ein ”Mehrstufiger ORC-Kreislauf mit Zwischenenthitzung” vorgeschlagen, wo mindestens zwei Wärmequellen mit unterschiedlicher Temperatur zum Einsatz kommen. Der unterbrochene Entspannungsverlauf zur internen indirekten Wärmeübertragung vergrößert den anlagentechnischen Aufwand und beeinflusst markant durch die Auskopplung die Fluidströmung. Gerade in der Geothermie steht nur eine Wärmequelle zur Verfügung, die bis zur möglichen Re-Injektions-Temperatur abgekühlt werden kann. Auch in der Offenlegungsschrift DE 10 2010 048 292 A1 ”Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks” geht man von zwei unterschiedlichen Wärmequellen aus, deren Wärmemengen die Teil-Massenströme bestimmen, welche, ohne Erklärung wie, andeutungsweise gestuft in der Turbine entspannt werden.
Es wäre also gut, wenn ein Niedertemperatur-Arbeitsprozess unabhängig vom verwendeten Arbeitsfluid nur durch seinen modifizierten Prozessverlauf die Effizienz verbessern würde.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass Bedingungen geschaffen werden, die für optimale Wärmeübertragungsverhältnisse sorgen, die den Entspannungsverlauf strömungstechnisch optimieren und die die Kondensationstemperatur weitestgehend im Jahresverlauf konstant halten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 gelöst. Thermalquellen liefern je nach Bohrtiefe und geologischer Lage einen Heißwasserstrom, der nach der Nutzung abgekühlt zurückgepumpt wird, um erneut erwärmt zu werden und den Kreislauf zu schließen. Es steht also ein Wärmestrom zur Verfügung, der im Niedertemperatur-Arbeitsprozess bis zur Re-Injektions-Temperatur abgekühlt werden kann. Je nach gelösten Mineralien liegt diese etwa bei 35°C. Da das Arbeitsfluid zyklisch seinen Aggregatzustand wechselt, benötigt es für den Phasenwechsel Wärme, die nur oberhalb der Verdampfungstemperatur zur Verfügung steht. Für den Heißwasserstrom bedeutet das eine begrenzte Nutzung des möglichen Temperaturgefälles. Bei einer gestuften Verdampfung, so wie sie im Abhitzekessel eines GUD-Prozesses praktiziert wird, lässt sich die Erwärmung und Verdampfung im Niedertemperatur-Arbeitsprozess besser an den Temperaturverlauf für die Abkühlung anpassen. Das bedeutet, die Abkühlenthalpien des Heißwasserstroms bestimmen die Massenströme in den einzelnen Druckstufen, welche dann strömungstechnisch Effizient in einer Turbine ohne Zwischenauskopplung und oder Zwischenüberhitzung entspannt werden. Um den Strömungsverlauf in der Axialturbine durch Beimischung eines weiteren Teilstroms in einer niedrigeren Druckstufe nicht zu sehr zu beeinflussen, erfolgt diese im druckgleichen Leitschaufelgitter, in dem der Beimischstrom intern durch die einzelnen Leitschaufeln geleitet wird und dann am Profilende über die Schaufellänge gut verteilt austritt. Mischung und Temperaturanpassung erfolgen zeitgleich durch Direktkontakt im gesamten Ringkanal der jeweiligen Stufe der Axialturbine, weswegen die nachfolgenden durch die Volumenstromänderung konturenbezogen angepasst werden müssen. Diese Aufwendungen sind im Vergleich zur mehrstufigen Entspannung, bestehend aus Einzelmaschinen, geringer, weil sie bereits bei der Herstellung Berücksichtigung finden und nur eine Turbine mit den peripheren Aufwendungen erforderlich macht. Besteht zwischen der Turbinen-Austritts- und der Kondensationstemperatur noch eine größere Differenz, lässt sich diese durch Abkühlung nutzen, indem ein zusätzlicher Wärmeübertrager den Massenstrom eines weiteren Teilstroms verdampft. Dieser wird je nach Druck in dem entsprechenden Gitter der Axialturbine ebenfalls durch die Leitschaufel-Profilenden direkt mit der Hauptströmung vermischt, wodurch der gestiegene Massendurchsatz die auskoppelbare mechanische Leistung der nachfolgenden Stufen erhöht. Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen entsteht ein typischer gestufter Massenstromverlauf, der sich einerseits an die optimale Abkühlung des Heißwasserstroms orientiert und andererseits alle gasseitigen Temperaturreserven zur Massenstromsteigerung nutzt, um die Turbinenabgabeleistung zu erhöhen. Dabei spielt die strömungstechnisch günstige Teilmassenstrom-Beimischung durch die Leitschaufel-Profilenden der entsprechenden Gitterstufen eine große Rolle, da unnötige Umlenkungen und Widerstände vermieden werden.
Ein weiterer Aspekt für eine gute Prozesseffizienz ist eine im Jahresverlauf niedrige Kondensationstemperatur. Steht nicht genügend Grund- oder Flusswasser zur Verfügung, was bei Geothermie-Anlagen oft zu trifft, bleiben nur die Luftkühlung oder der Kühlturm mit den wetterabhängigen Einfluss. In so einem Fall ist es besser, ein Rohrsystem im Boden zu verlegen, welches die Abwärme ins Erdreich ableitet. Je nach Bodenbeschaffenheit und Grundwasserstand verändert sich dadurch die Kühltemperatur im Jahresverlauf kaum, wodurch der Niedertemperatur-Arbeitsprozess optimal eingestellt werden kann. Der Aufwand für die PE-Rohrverlegung ist relativ hoch, benötigt aber danach bei niedrigen Betreibungskosten wenig Wartung. Über die Erdkollektorfläche lassen sich wärmeempfindliche Kulturen anbauen, sodass die Wärmeableitung mit einer sachten Oberflächen-Temperaturerhöhung bei kühlen Witterungsverhältnissen weiteren Nutzen bringt.
Auch wenn die investiven Kosten für den Bau dieser Anlagen höher liegen, so verkürzt sich die Amortisierung durch lebenslange Mehreinnahmen wegen der besseren Stromausbeute und dem geringeren Wartungsaufwand.
1 schematisches Blockschaltbild des Niedertemperatur-Arbeitsprozesses mit verbesserter Effizienz
Bezugszeichenliste

1: Heizquellenkühlung durch gestufte Verdampfung
2: Abwärmeregeneration durch gestufte Verdampfung
3: Axialturbine
4: Generator
5: Kondensator
6: Kondensatpumpe der 1. Stufe
7: Kondensat der 1. Stufe
8: Wärmeübertrager Kondensatvorwärmung
9: Druckgefäß der 1. Stufe mit Füllstandsreglung
10: Verdampfer 1. Stufe
11: Kondensatpumpe der 2. Stufe
12: Kondensat der 2. Stufe
13: Verdampfer der 2. Stufe
14: Dampf-Hauptmassenstrom
15: Dampf-Teilmassenstrom der 1. Stufe
16: Gitter mit verteiltem Dampfaustritt an den Leitschaufel-Profilenden
17: Gitter mit Leitschaufel-Oberflächenverdampfung
18: Abwärmeregenerator
19: Abwärme-Dampfmassenstrom
20: Abwärmekondensat
21: Drosselventile
22: Wärmeabfuhr Kühlkreislauf
23: Heizquelle Eintritt
24: Heizquelle Austritt
25: Heißwasserstrom
26: Abdampf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007009503 B4 [0003]
DE 102010048292 A1 [0003]

Claims

Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus einer optimierten Heizquellenkühlung durch gestufte Verdampfung (1), einer Axialturbine (3) mit Strömungsoptimierung durch Gitter mit verteiltem Dampfaustritt an den Leitschaufel-Profilenden (16) und oder Gitter mit Leitschaufel-Oberflächenverdampfung (17), die Teilmassenströme den Dampf-Hauptmassenstrom (14) beimischen, einem von der Axialturbine (3) angetriebenen Generator (4), einer Abwärmeregeneration durch gestufte Verdampfung (2), einem Kondensator (5), einer Kondensatpumpe der 1. Stufe (6) und einem Rohrsystem, in dem geeignete Arbeitsfluids zirkulieren, die in den benötigten Temperaturbereich noch nutzbare Druckdifferenzen mittels Phasenwechsel ermöglichen dadurch gekennzeichnet, dass ein Heißwasserstrom (25) aus einer Thermalquelle durch eine gestufte Verdampfung maximal bis zur Re-Injektions-Temperatur abgekühlt werden kann, indem divergierende Massenströme den unterschiedlichen Wärmebedarf für die Verdampfung anpassen, wodurch der Dampf-Hauptmassenstrom (14) und der Dampf-Teilmassenstrom der 1. Stufe (15) entstehen, die sich strömungstechnisch optimiert in einer Axialturbine (4) durch Gitter mit verteiltem Dampfaustritt an den Leitschaufel-Profilenden (16) mittels direktkontakt vermischen, das der Abdampf (26) aus der Axialturbine (4) noch bis fast zur Kondensationstemperatur im Kondensator (5) im Abwärmeregenerator (18) abgekühlt wird, in dem Kondensat der 1. Stufe (7) nach der Kondensatpumpe der 1. Stufe (6) abgezweigt wird und vom Abwärmeregenerator (18) vorgewärmt als Abwärmekondensat (20) druckangepasst mittels Drosselventil (21) zum Gitter mit Leitschaufel-Oberflächenverdampfung (17) gelangt, wo es verdampft und den Hauptmassenstrom vergrößert und oder einen Abwärme-Dampfmassenstrom (19) erzeugt, welcher sich durch Gitter mit verteiltem Dampfaustritt an den Leitschaufel-Profilenden (16) ebenfalls mit dem Hauptmassenstrom vermischt.
Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass alle thermodynamischen Reserven, die maximale Abkühlung des Heißwasserstrom (25) und die volle Nutzung der Turbinen-Abwärme zur Massenstromstufung für die Entspannung in der Axialturbine (3) genutzt wird, indem die direkte interne Beimischungen den Massendurchsatz der nachfolgenden Stufen erhöht, was die auskoppelbare Leistung am Generator (4) vergrößert.
Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der möglichen Abkühlung des Hauptmassenstromes durch Oberflächenverdampfung oder Teilstrombeimischung und der daraus resultierenden Massenstromerhöhung ein Optimum besteht, welches die maximale auskoppelbare Leistung am Generator (4) ermöglicht.
Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf-Teilmassenstrom der 1. Stufe (15) und der Abwärme-Dampfmassenstrom (19) druck- und geschwindigkeitsangepasst durch das Turbinengehäuse, dem Leitschaufelfuß zum Schaufelprofil gelangt, wo über die gesamte Länge Bohrungen an der Hinterkante für die gleichmäßige Verteilung und Vermischung mit dem Hauptstrom sorgen.
Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmekondensat (20) flüssig die Oberflächen der Leitschaufeln benetzen, in dem es druckangepasst mittels Drosselventil (21) durch das Turbinengehäuse, dem Leitschaufelfuß intern zum Schaufelprofil gelangt.
Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass im Fall fehlender Grund- oder Flusswassermengen ein Rohrsystem im Boden zu verlegen ist, welches die Abwärme je nach Bodenbeschaffenheit und Grundwasserstand ins Erdreich ableitet, wodurch sich die mittlere Kühltemperatur im Jahresverlauf kaum verändert, was die Effizienz des Niedertemperatur-Arbeitsprozesses verbessert.
Niedertemperatur-Arbeitsprozess mit verbesserter Effizienz für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Massenstromstufen, wenn erforderlich, nach den gleichen Prinzipien erhöht werden kann.